EP1520101B1

EP1520101B1 - Kraftstoffinjektor mit druckübersetzer für mehrfacheinspritzung

Info

Publication number: EP1520101B1
Application number: EP03720254A
Authority: EP
Inventors: Volkmar Kern
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-29
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: US6962141B2; US20050103310A1; DE50301574D1; JP2005531711A; WO2004003378A1; EP1520101A1; DE10229412A1

Description

Technisches Gebiet

Zur Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit Kraftstoff können sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme eingesetzt werden. Als Kraftstoffeinspritzsysteme kommen neben Pumpe-Düse-Einheiten, Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch Speichereinspritzsysteme zum Einsatz. Speichereinspritzsysteme (Common-Rail) ermöglichen in vorteilhafter Weise, den Einspritzdruck an Last- und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anzupassen. Zur Erzielung hoher spezifischer Leistungen und zur Reduktion der Emissionen der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ist generell ein möglichst hoher Einspritzdruck erforderlich.

Stand der Technik

Aus Festigkeitsgründen ist das erreichbare Druckniveau bei heute eingesetzten Speichereinspritzsystemen zur Zeit auf etwa 1600 bar begrenzt. Zur weiteren Drucksteigerung an Speichereinspritzsystemen kommen Druckübersetzer zum Einsatz.

EP 0 562 046 B1 offenbart eine Betätigungs- und Ventilanordnung mit Bedämpfung für eine elektronisch gesteuerte Einspritzeinheit. Die Betätigungs- und Ventilanordnung für eine hydraulische Einheit weist einen elektrisch erregbaren Elektromagneten mit einem festen Stator und einem bewegbaren Anker auf. Der Anker weist eine erste und eine zweite Oberfläche auf. Die erste und die zweite Oberfläche des Ankers definieren einen ersten und einen zweiten Hohlraum, wobei die erste Oberfläche des Ankers dem Stator zuweist. Es ist ein Ventil vorgesehen, welches mit dem Anker verbunden ist. Das Ventil ist in der Lage, aus einem Sumpf ein hydraulisches Betätigungsfluid an die Einspritzvorrichtung zu leiten. Ein Dämpfungsfluid kann in bezug auf einen der Hohlräume der Elektromagnetanordnung dort gesammelt werden bzw. von dort abgelassen werden. Mittels eines in eine Zentralbohrung hineinragenden Bereiches eines Ventils kann die Strömungsverbindung des Dämpfungsfluides proportional zu dessen Viskosität selektiv freigegeben bzw. verschlossen werden.

DE 101 23 910.6 bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Diese wird an einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine werden über Kraftstoffinjektoren mit Kraftstoff versorgt. Die Kraftstoffinjektoren werden über eine Hochdruckquelle beaufschlagt; ferner umfasst die Kraftstoffeinspritzung gemäß DE 101 23 910.6 einen Druckübersetzer, der einen beweglichen Druckübersetzerkolben aufweist, welchen einen an die Hochdruckquelle anschließbaren Raum von einem mit dem Kraftstoffinjektor verbundenen Hochdruckraum trennt Der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum läßt sich durch Befüllen eines Rückraumes des Druckübersetzers mit Kraftstoff bzw. durch Entleeren dieses Rückraumes von Kraftstoff variieren.

Der Kraftstoffinjektor umfasst einen beweglichen Schließkolben zum Öffnen bzw. Verschliessen der dem Brennraum zuweisenden Einspritzöffnungen. Der Schließkolben ragt in einen Schließdruckraum hinein, so dass dieser mit Kraftstoffdruck beaufschlagbar ist. Dadurch wird eine den Schließkolben in Schließrichtung beaufschlagende Kraft erzielt. Der Schließdruckraum und ein weiterer Raum werden durch einen gemeinsamen Arbeitsraum gebildet, wobei sämtliche Teilbereiche des Arbeitsraumes permanent zum Austausch von Kraftstoff miteinander verbunden sind.

Mit dieser Lösung kann durch Ansteuerung des Druckübersetzers über den Rückraum erreicht werden, dass die Ansteuerverluste im Kraftstoffhochdrucksystem im Vergleich zu einer Ansteuerung über einen zeitweise mit der Kraftstoffhochdruckwelle verbundenen Arbeitsraum kleingehalten werden können. Ferner wird der Hochdruckraum nur bis auf das Druckniveau des Hochdruckspeicherraumes druckentlastet und nicht bis auf das Leckagedruckniveau. Dies verbessert einerseits den hydraulischen Wirkungsgrad, andererseits kann ein schnellerer Druckaufbau bis auf das Systemdruckniveau erfolgen, so dass die zwischen den Einspritzphasen liegenden zeitlichen Abstände verkürzt werden können.

Das später veröffentlichte Dokument DE 101 23 914 zeigt ein Common-Rail-Einspritzsystem mit Druckübersetzer.

Bei druckgesteuerten Common-Rail-Einspritzsystemen mit Druckübersetzer tritt das Problem auf, dass die Stabilität der in den Brennraum einzuspritzenden Einspritzmengen, besonders die Darstellung sehr kleiner Einspritzmengen, wie z.B. bei Voreinspritzung gefordert, nicht gewährleistet ist. Dies wird vor allem darauf zurückgeführt, dass die Düsennadel bei druckgesteuerten Einspritzsystemen sehr schnell öffnet. Daher können sich sehr kleine Streuungen in der Ansteuerdauer des Steuerventiles stark auf die Einspritzmenge auswirken. Man hat versucht, diesem Problem dadurch abzuhelfen, einen separaten Nadelhubdämpferkolben, der einen Dämpfungsraum begrenzt und in einer hochdruckdichten Spielpassung geführt sein muss, einzusetzen. Diese Lösung gestattet zwar eine Reduzierung der Nadelöffnungsgeschwindigkeit, andererseits wird durch diese Lösung der konstruktive Aufwand und damit die Kosten des Einspritzsystemes stark erhöht

Angesichts weiter steigender Anforderungen an die Emissions- und Geräuschentwicklung selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen, sind weitere Maßnahmen am Einspritzsystem erforderlich, um die in naher Zukunft zu erwartenden verschärften Grenzwerte zu erfüllen.

Um eine möglichst flexible Einspritzung darzustellen, wurden Systeme mit zwei Magnetventilen entwickelt. Da zwei Magnetventile jedoch aufwendig und teuer sind, ist es wünschenswert, nur ein Magnetventil pro Injektor-/Druckverstärker-Kombination einzusetzen. Ein solches System wurde bisher über ein 3/2-Wege-Ventil gesteuert, um Mehrfacheinspritzungen darzustellen. Diese Ventile sind kompliziert im Aufbau und in einer Serienfertigung aufgrund der geforderten engen Toleranzen nur schwer in der geforderten Genauigkeit herzustellen.

Darstellung der Erfindung

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Kraftstoffinjektor mit Druckübersetzer erlaubt die Ausführung von Mehrfacheinspritzungen in den Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine durch an einem Druckübersetzerkolben ausgeführte Steuerabschnitte. Diese ermöglichen in Kombination mit einem 2/2-Wege-Ventil zur Betätigung des Druckübersetzers, d.h. zum Druckaufbau in einem Kompressionsraum und zur Drukkentlastung eines Steuerraumes, Mehrfacheinspritzungen auf einem hohen Druckniveau. Der Einsatz eines für Großserienproduktion von Einspritzkomponenten eher ungeeigneten 3/2-Wege-Ventils, welches in den geforderten Toleranzen nur schwierig und mit hohen Kosten verbunden zu fertigen ist, lässt sich umgehen.

Steuerabschnitte an einem rotationssymetrischen Bauteil wie z.B. einem Druckübersetzerkolben, lassen sich hinsichtlich der geforderten Genauigkeiten preisgünstiger herstellen; darüber hinaus hat das am druckübersetzten Kraftstoffinjektor eingesetzte 2/2-Wege-Ventil einen relativ einfachen und störungsunempfindlichen Aufbau.

Zur Darstellung während einer Voreinspritzphase in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzender kleinster Voreinspritzmengen, können die am Druckübersetzerkolben ausgebildeten Steuerabschnitte hinsichtlich ihrer axialen Länge, d.h. in Hubrichtung des Druckübersetzerkolbens, sehr schmal ausgeführt werden. Durch die Geometrie der Steuerabschnitte kann eine weitere Voreinspritzphase realisiert werden, die entsprechend der Ausbildung der Steuerabschnitte kürzer oder länger bemessen sein kann, als eine vorhergehende erste Voreinspritzphase, um ein Beispiel zu nennen. Anstelle einer weiteren, einer ersten Voreinspritzphase nachgeordneten Voreinspritzphase, kann durch entsprechende Auslegung der Steuerabschnitte auch eine längere Haupteinspritzphase in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mit geringem Aufwand realisiert werden.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert.

Die einzige Figur zeigt den hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäß ausgeführten Kraftstoffinjektors, bei dem der Arbeitsraum eines vorgeschalteten Druckübersetzers über einen Hochdruckspeicherraum (Common-Rail) mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar ist.

Ausführungsvarianten

Die Figur zeigt eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem Kraftstoffinjektor, dem ein Druckübersetzer vorgeschaltet ist und der über ein als 2/2-Wege-Ventil ausgebildetes Zumessventil betätigbar ist

Gemäß des in Figur 1 dargestellten hydraulischen Schaltschemas eines Kraftstoffinjektors 1 umfasst dieser einen Hochdruckspeicherraum 2, einen Druckübersetzer 5 sowie ein bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildetes Zumessventil 6. Dem Druckübersetzer 5 ist ein Einspritzventil nachgeschaltet, dessen Einspritzventilglied 34 über einen hydraulischen Raum 31 und einen Düsenraum 28 betätigbar ist.

Vom Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) verläuft eine Zuleitung 9, die einen Zulauf 42 zu einem Arbeitsraum 10 des Druckübersetzers 5 aufweist. Neben dem Arbeitsraum 10 umfasst der Druckübersetzer 5 einen Steuerraum 11. Der Arbeitsraum 10 des Druckübersetzers 5 ist vom Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 durch einen Kolben 12 getrennt, der in der Ausführungsvariante gemäß Figur 1 einen ersten Teilkolben 13 in vergrößertem Durchmesser sowie einen zweiten Teilkolben 14 in im Vergleich zum ersten Teilkolben 13 verringertem Durchmesser umfasst. Der erste Teilkolben 13 und der zweite Teilkolben 14 können als getrennte Bauteile ausgebildet sein; in Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Aufbaus des Kolbens 12 können der erste Teilkolben 13 und der zweite Teilkolben 14 auch einstückig ausgebildet werden.

Der zweite Teilkolben 14 des Kolbens 12 innerhalb des Druckübersetzers 5 ist durch ein bevorzugt als Spiralfeder ausgebildetes Federelement 17 beaufschlagt, welche sich einerseits am Boden des Steuerraums 11 des Druckübersetzers 5 und andererseits an einem Federanschlag 18 im oberen Bereich des ersten Teilkolbens 14 abstützt. Der Druckübersetzer 5 umfasst darüber hinaus einen beispielsweise als Stützring 16 ausgebildeten Anschlag für die obere Stirnseite des ersten Teilkolbens 13 des Kolbens 12.

Der Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 steht über eine Steuerleitung 26 mit dem bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildeten Zumessventil 6 in Verbindung, wobei dessen Schaltung von der in Figur 1 dargestellten Schließstellung in die Offenstellung eine Drukkentlastung des Steuerraumes 11 in einen niederdruckseitigen Rücklauf 8 bewirkt. Das als 2/2-Wege-Ventil ausgebildete Zumessventil 6 kann sowohl als Magnetventil als auch Piezoaktor betätigt ausgebildet sein. Ferner kann das 2/2-Wege-Ventil gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante als Servoventil oder als direkt beaufschlagtes Ventil ausgebildet werden. Der Steuerraum 11 des Druckübersetzers steht darüber hinaus über eine Überströmleitung 41 mit einem Kompressionsraum 15 im unteren Bereich des Druckübersetzers 5 in Verbindung. Vom Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5, in welchen die Überströmleitung 41 an einer Mündungsstelle 24 mündet, zweigt in gleicher Höhe eine Verbindungsleitung 32 ab, welche den Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 mit einem hydraulischen Raum 31 verbindet, der ein bevorzugt als Düsennadel ausbildbares Einspritzventilglied 34 beaufschlagt. Der Kompressionsraum 15 ist mit dem hydraulischen Raum 31 parallel zur Verbindungsleitung 32 zwischen dem hydraulischen Raum 31 und dem Kompressionsraum 15 über eine weitere Leitung verbunden, die eine Drosselstelle 30 enthält. Die Befüllung des Kompressionsraumes 15 erfolgt über einen Abzweig 29, der von der Zuleitung 9 vom Hochdruckspeicherraum 2 unterhalb eines in dieser aufgenommenen Rückschlagventiles 43 abzweigt. Über die Zuleitung 9, in welcher zur Vermeidung von Rückwirkungen auftretender Druckpulsationen bzw. Druckwellenreflexionen in das Innere des Hochdruckspeicherraumes 2 ein diese Pulsationen dämpfendes Rückschlagventil 43 aufgenommen ist, zweigt ein Kraftstoffzulauf 27 ab, der in einen Düsenraum 28 mündet. Der mit Bezugszeichen 28 bezeichnete Düsenraum ist innerhalb eines Düsenkörpers 4 des Kraftstoffinjektors 1 ausgebildet und umschliesst das Einspritzventilglied 34 ringförmig. Im Bereich des Düsenraumes 28 ist am Außenumfang des Einspritzventilgliedes 34 eine Druckschulter 38 ausgebildet.

Der hydraulische Raum 31, enthält ein als Spiralfeder ausgebildetes Federelement 33, welches sich einerseits an der Decke des hydraulischen Raumes 31 und andererseits an der Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 abstützt. Vom Düsenraum 28, der das Einspritzventilglied 34 im Bereich einer Druckstufe 38 umschliesst, verläuft ein als Ringspalt 26 ausgebildeter Zulauf in Richtung auf die Nadelspitze 37 hin. An der Nadelspitze 37 des Einspritzventilgliedes 34 ist ein brennraumseitiger Sitz des Einspritzventilgliedes 34 ausgebildet. Dieser beispielsweise als Kegelsitz konfigurierte Sitz an der Nadelspitze 37 des Einspritzventilgliedes 34 öffnet bzw. verschliesst in einen Brennraum 7 einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine einmündende Einspritzöffnungen 39, die als doppelte Lochreihen oder einfache Lochreihenbohrungen in Kreisform ausgebildet sein können und über welche der Kraftstoff beim Eintreten in den Brennraum 7 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine zerstäubt.

Über die Zuleitung 9 liegt der im Innenraum des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druck am Arbeitsraum 10 des Druckverstärkers an. Im Grundzustand, d.h. im Ruhezustand des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1 ist das bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildete Zumessventil 6 nicht angesteuert und es findet keine Einspritzung statt. In diesem Zustand liegt der im Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) anliegende Druck im Arbeitsraum 10 des Druckübersetzers 5 am Zumessventil 6 über den Arbeitsraum 10, eine im ersten Teilkolben 13 ausgebildete Drosselstelle 40, über den Steuerraum 11 und die Steuerleitung 26 an. Ferner steht der im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druck über die im ersten Teilkolben 13 ausgebildete Drosselstelle 40 im Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 an. Ferner steht der im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druck über ein in der Zuleitung 9 angeordnetes Rückschlagventil 43 über den Kraftstoffzulauf 27 im Düsenraum 28 des Injektorkörpers 4 an; in dem die Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 beaufschlagenden hydraulischen Raum 31 liegt der im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druck über die Zuleitung 9, das Rückschlagventil 43, den Zulauf 29 zum Kompressionsraum 15 und die von dort abzweigende Leitungsverbindung mit Drosselstelle 30 an. Der Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers wird über den Zulauf 29, der in Strömungsrichtung des Kraftstoffes gesehen hinter dem Rückschlagventil 43 von der Zuleitung 9 abzweigt, mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff befüllt.

Im Grundzustand, d.h. dem in Figur 1 dargestellten Ruhezustand des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors sind alle Druckräume 10, 11 und 15 des Druckübersetzers 5 mit dem im Hochdruckspeicherraum 2 herrschenden Druckniveau beaufschlagt und der Druckübersetzer 5 befindet sich im druckausgeglichenen Zustand. In diesem Zustand liegt die Stirnseite des ersten Teilkolbens 13 am in den Injektorkörper 3 eingelassenen als Anschlagelement fungierenden Abstützring 16 an. Der Druckverstärker 5 ist in diesem Zustand deaktiviert und es findet keine Druckverstärkung statt. In diesem Zustand wird die Kolbeneinheit 12 des Druckübersetzers über eine über die Rückstellfeder 17 in der geschlossenen Abteilung gehalten, wenn sämtliche Druckräume 10, 11 bzw. 15 des Druckübersetzers mit dem im Hochdruckspeicherraum 2 herrschenden Druckniveau (Rail-Druck) beaufschlagt sind.

Durch den im hydraulischen Raum 31 im Düsenkörper 4 herrschenden Raildruck wird eine hydraulische Schließkraft auf die Stirnseite 35 des bevorzugt als Düsennadel ausgebildeten Einspritzventilgliedes 34 ausgeübt. Zusätzlich zu dieser wirkt eine in Schließrichtung wirkende Federkraft, hervorgerufen durch das als Spiralfeder beispielsweise ausgebildete Federelement 33 innerhalb des hydraulischen Raumes 31 auf die Stirnseite 35 ders Einspritzventilgliedes 34. Daher kann der im Inneren des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druck (Raildruck) ständig im Düsenraum 28, der das Einspritzventilglied 34 im Bereich einer Druckschulter 38 ringförmig umschliesst, anstehen, ohne dass das Einspritzventilglied 34 durch vertikale Bewegung in den hydraulischen Raum 31 die Einspritzöffnungen 35 in den Brennraum 7 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ungewollt freigibt.

Erfolgt eine Ansteuerung des Druckübersetzers 5, erhöht sich der im Kompressionsraum 15, im Düsenraum 28 und im hydraulischen Raum 31 herrschende Druck, da der im Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 herrschende Druck abfällt, weil die Steuerleitung 26 durch Ansteuerung des Zumessventiles 6 mit dem niederdruckseitigen Rücklauf 8 in Verbindung steht und das im Steuerraum 11 enthaltene Steuervolumen dorthin abströmt. Dies führt jedoch noch nicht zum Öffnen des bevorzugt als Düsennadel ausgebildeten Einspritzventilgliedes 34 innerhalb des Düsenkörpers 4, da die Druckdifferenz zwischen dem Düsenraum 28 und dem hydraulischen Raum 31 noch nicht genügend groß ist. Erst bei einer aktiven Entlastung des hydraulischen Raumes 31 erfolgt ein Öffnen des Einspritzventilgliedes 34, d.h. ein Einfahren seiner Stirnseite 35 in den hydraulischen Raum 31 im oberen Bereich des Düsenkörpers 4 des Kraftstoffinjektors 1.

Zur Realisierung einer aktiven Entlastung des hydraulischen Raumes 31 im oberen Bereich des Düsenkörpers 4 des Kraftstoffinjektors 1 sind an der dem Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 zuweisenden Seite des zweiten Teilkolbens 14 des Kolbens 12 Steuerabschnitte 19 bzw. 21 ausgebildet. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante liegen die Steuerabschnitte 19 bzw. 21 in Hubrichtung des ersten Teilkolbens 14 in dem Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 gesehen, hintereinander. An der Umfangsfläche des zweiten Teilkolbens 14 ist ein Steuerabschnitt 19 in einem im Vergleich zum Außendurchmesser des ersten Teilkolbens 14 verringerten Durchmesser ausgebildet, der sich in Hubrichtung des zweiten Teilkolbens 14 gesehen, in einer ersten axialen Länge 19.1 erstreckt. Der weitere Steuerabschnitt 21 ist vom Steuerabschnitt 19 durch einen Bund getrennt. Der Bund, der den Steuerabschnitt 19 vom weiteren Steuerabschnitt 21 trennt, ist im ersten Durchmesser des ersten Teilkolbens 14 ausgeführt. Die axiale Länge 21.1 des weiteren Steuerabschnittes 21 ist im Vergleich zur axialen Länge 19.1 des Steuerabschnittes 19 erheblich geringer bemessen. Während der Steuerabschnitt 19 als Ringraum ausgebildet ist, ist der weitere Steuerabschnitt 21 im Vergleich zum Steuerabschnitt 19 beispielsweise als Ringnut beschaffen.

Der Steuerabschnitt 19 ist am Bund am ersten Teilkolben 14 durch eine Steuerkante 20 begrenzt, während an der gegenüberliegenden Seite des Bundes am Außenumfang des ersten Teilkolbens 14 eine zweite Steuerkante 22 den weiteren Steuerabschnitt 21 begrenzt.

Anstelle der in Figur 1 in Hubrichtung des ersten Teilkolbens 14 gesehen, zwei hintereinander liegenden Steuerabschnitt 19 bzw. 21, können entsprechend des vorgesehenen Hubweges des ersten Teilkolbens 14 bei dessen Eintauchbewegung in den Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 auch drei Steuerabschnitte hintereinanderliegend ausgebildet sein, entsprechend einer Anzahl von im Rahmen einer Mehrfacheinspritzung vorzunehmenden Einspritzvorgängen in den Brennraum 7.

Am Kompressionsraum 15 liegen die Mündungsstellen 24 der Überströmleitung 41 zum Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 sowie die Abzweigstelle 25 der Verbindungsleitung 32 des Kompressionsraumes 15 mit dem hydraulischen Raum 31 einander gegenüber.

Die aktive Entlastung des hydraulischen Raumes 31 im Düsenkörper 4 des Kraftstoffinjektors erfolgt durch eine Eintauchbewegung des ersten Teilkolbens 14 in den Kompressionsraum 15. Hat der zweite Teilkolben 14 einen bestimmten Hubweg zurückgelegt, verbindet der weitere Steuerabschnitt 21, der als Ringnut ausgebildet sein kann, einen Querschnitt zwischen dem hydraulischen Raum 31 und der Verbindungsleitung 32 einerseits mit der Überströmleitung 41 in den Steuerraum 11, der Steuerleitung 26 zum niederdruckseitigen Rücklauf 8 andererseits miteinander. Damit kann je nach axialer Länge 21.1 des weiteren Steuerabschnittes 21 der hydraulische Raum 31 auf Niederdruck gelegt werden, so dass die auf die Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 wirkende Kraft abnimmt, so dass das Einspritzventilglied 34 nicht mehr in seiner Schließstellung gehalten werden kann. Aufgrund der im Düsenraum 28 anstehenden, auf die Druckschulter 38 des Einspritzventilgliedes 34 wirkenden hydraulischen Kraft, öffnet das Einspritzventilglied 34 und gibt die Einspritzöffnungen 39 in den Brennraum 7 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mündenden Einspritzöffnungen frei. Der Einspritzdruck ist von Beginn an höher als der im Innenraum des Hochdruckspeicherraumes 2 herrschende Druck (Raildruck). Ein hoher Einspritzdruck wirkt sich günstig auf eine Reduzierung der Emissionen einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine sowie auf die Erzielung hoher spezifischer Leistungen aus. Die dem Kraftstoff innewohnende Energie ist auf diese Weise am besten umsetzbar.

Um eine kleine Voreinspritzmenge im Rahmen einer Mehrfacheinspritzung darstellen zu können, darf der hydraulische Raum 31, der das Einspritzventilglied 34 an dessen Stirnseite 35 beaufschlagt, nicht zu lange mit dem niederdruckseitigen Rücklauf 8 verbunden bleiben. Die gewünschte Voreinspritzmenge kann durch die axiale Länge 21.1 des weiteren Steuerabschnittes 21 beeinflusst werden. In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante ist die axiale Länge 21.1 des weiteren Steuerabschnittes 21 gerade so bemessen, dass ein Überströmen von Kraftstoff aus dem hydraulischen Raum 31 über die Verbindungsleitung 32 in die Überströmleitung 41 und von dort über den Steuerraum 11 in die Steuerleitung 26 möglich ist. Sobald der weitere Steuerabschnitt 21 bei weiterer Druckentlastung des Steuerraumes 11 in den Kompressionsraum 15 des Druckübersetzers 5 einfährt, unterbricht der Bund zwischen dem Steuerabschnitt 19 und dem weiteren Steuerabschnitt 21 die Fluidverbindung zwischen der Verbindungsleitung 32 und der Überströmleitung 41 in den Steuerraum 11. Der hydraulische Raum 31 und die Verbindungsleitung 32 sind demnach durch den Bund von der Überströmleitung 41 dem Steuerraum 11 und dem von diesem abzweigenden Überströmleitung 26 in den niederdruckseitigen Rücklauf 8 getrennt. Aus hydraulischen Gründen ist vorteilhaft, wenn die Öffnungen der Überströmleitung 41 und der Verbindungsleitung 32 in die Bohrung, in welche die Kolbeneinheit 12 läuft, münden. In der Stellung, die in Figur 1 dargestellt ist und in der die Kolbeneinheit 12 an ihrem oberen Anschlag 16, d.h. dem Abstutzring ruht, sind die Öffnungen der Verbindungsleitung 32 und der Überströmleitung 41 von dem Bund zwischen der Stirnseite 23 und dem Steuerabschnitt 21 überdeckt. Demzufolge baut sich im hydraulischen Raum 31 der übersetzte Druck auf und schliesst das Einspritzventilglied 34, unterstützt durch die im hydraulischen Raum 31 angeordnete Feder 33. Da der Druckübersetzer 5 weiter angesteuert bleibt und die Stirnseite 23 des zweiten Teilkolbens 14 demzufolge weiter in den Kompressionsraum 15 einfährt, kommt der Steuerabschnitt 19 in Überdeckung mit der Mündungsstelle 24 der Überströmleitung 41 und der Abzweigstelle 25 der Verbindungsleitung 32 zum hydraulischen Raum 31. Demzufolge folgt eine entsprechend der axialen Länge 19.1 des Steuerabschnittes 19 länger andauernde Druckentlastung des hydraulischen Raumes 31 im Düsenkörper 4 zustande, so dass eine weitere länger andauernde Einspritzung stattfinden kann. Je nach Bemessung der axialen Längen 19.1 bzw. 21.1 der Steuerabschnitte 19 und 20 kann dies eine weitere Voreinspritzung oder eine länger andauernde Haupteinspritzphase sein. Die Haupteinspritzphase wird dadurch beendet, dass entweder die der ersten Steuerkante 20 des Steuerabschnittes 19 gegenüberliegende Steuerkante die Fluidverbindung zwischen den Mündungsstellen 25 und 24 der Leitungen 41 bzw. 32 verschliesst und diese daduch unterbricht oder andererseits durch eine Deaktivierung des Druckübersetzers 5.

Zum Beenden des Einspritzvorganges wird der Druck im Düsenraum 28 auf das im Hochdruckspeicherraum 2 herrschende Druckniveau abgebaut. Zu diesem Zweck wird durch das bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildete Zumessventil 6 der Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 vom niederdruckseitigen Rücklauf 8 getrennt. Dadurch ist der Steuerraum 11 mit dem im Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) herrschenden Druckniveau (Raildruck) beaufschlagt, welches vom Arbeitsraum 10 über die im ersten Teilkolben 13 des Kolbens 12 vorgesehene Drosselstelle 40 im Stuerraum 11 des Druckübersetzers 5 wirksam ist. Im Steuerraum 11 des Druckübersetzers 5 baut sich demnach Raildruckniveau aut, da dieser nicht mehr über die Steuerleitung 26 mit dem niederdruckseitigen Rücklauf 8 in Verbindung steht. In diesem Zustand ist das bevorzugt als 2/2-Wege-Ventil ausgebildete Zumeßventil 6 in seine in Figur 1 dargestellte Schließstellung gestellt. Der Druck im Kompressionsraum 15, im Düsenraum 28 sowie im hydraulischen Raum 31 fällt auf Raildruckniveau ab. Da im hydraulischen Raum 31 nun ebenfalls der im Hochdruckspeicherraum 2 herrschende Druck ansteht, ist das Einspritzventilglied 34 hydraulisch ausgeglichen und wird durch die auf die Stirnseite 35 des Einspritzventilgliedes 34 wirkende Federkraft des Federelementes 34 in seine Schließstellung gestellt und verschließt die Einspritzöffnungen 39 an der Nadelspitze 37 des Einspritzventilgliedes 34. Dadurch wird die Einspritzung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in den Brennraum 7 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine beendet

Nach dem Druckausgleich wird der Kolben 12 des Druckübersetzers 5 durch die Wirkung der Rückstellfeder 17, die auf einen Anschlag 18 am zweiten Teilkolben 14 wirkt, wieder in die Ausgangslage zurückgestellt, wobei der Kompressionsraum 15 durch die von der Zuleitung 9 abzweigende Zulaufleitung 29 wieder mit Kraftstoff befüllt wird. Der hydraulische Raum 31 wird über die Zuleitung 9, in welcher ein Druckpulsationen dämpfendes Rückschlagventil 43 aufgenommen sein kann, den Zulauf 29 zum Kompressionsraum 15 und der von diesem abzweigende Leitung mit Drosselstelle 30, wieder mit Kraftstoff befüllt.

Zur Stabilisierung der Schaltsequenzen mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor mit Druckübersetzer 5 können zusätzliche Maßnahmen zur Dämpfung der Schwingungen zwischen dem Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) und dem Kraftstoffinjektor 1 getroffen werden. Das Rückschlagventil 43 kann unmittelbar hinter der Mündungsstelle in den Hochdruckspeicherraum 2 bzw. dort angeordnet werden. Anstelle eines Rückschlagventiles 43 kann dort auch ein Drosselelement angeordnet sein. Durch das Rückschlagventil 43 bzw. ein dort angeordnetes Drosselelement werden bei Ansteuerung des Druckübersetzers 5 der Hochdruckspeicherraum 2 vom Kompressionsraum 15, von den Leitungen 29 bzw. 27 und vom Düsenraum 28 getrennt.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kombiniert ein einfach ausgebildetes 2/2-Wege-Ventil, welches als Zumessventil 6 ausgebildet ist, mit einem Druckübersetzer-Teilkolben, an welchem die Hubrichtung des Teilkolbens gesehen mehrere Steuerabschnitte hintereinander liegend ausgebildet sind. Damit kann einerseits der Einsatz eines aufwendig und kostenintensiv herzustellenden 3/2-Wege-Ventils umgangen werden, andererseits lassen sich auf einfache Weise Voreinspritzphasen, Haupteinspritzphasen sowie Nacheinspritzungen im Rahmen einer Einspritzverlaufsformung darstellen. Ferner kann mit der erfindungsgemäßen Lösung anstelle von zwei Magnetventilen ein einziges Zumessventil 6 eingesetzt werden. Die Steuerabschnitte 19 bzw. 21 im unteren Bereich des zweiten Teilkolbens 12 des Druckübersetzers 5 lassen sich einfach herstellen.

Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffinjektor
2: Hochdruckspeicherraum
3: Injektorkörper
4: Düsenkörper
5: Druckübersetzer
6: Zumessventil (2/2-Wege-Ventil)
7: Brennraum
8: niederdruckseitiger Rücklauf
9: Zuleitung
10: Arbeitsraum
11: Steuerraum
12: Kolbeneinheit
13: erster Teilkolben
14: zweiter Teilkolben
15: Kompressionsraum
16: Abstützring
17: Rückstellfeder
18: Rückstellfederanschlag
19: Steuerabschnitt
19.1: axiale Länge Steuerabschnitt
20: erste Steuerkante
21: weiterer Steuerabschnitt
21.1: axiale Länge weiterer Steuerabschnitt
22: zweite Steuerkante
23: Stirnseite zweiter Teilkolben 14
24: Mündung Verbindungsleitung Steuerraum
25: Abzweigleitung zum hydraulischen Raum 31
26: Steuerleitung Steuerraum 11
27: Kraftstoffzulauf Düsenraum
28: Düsenraum
29: Zulauf Kompressionsraum 15
30: Drosselstelle
31: hydraulischer Raum
32: Verbindungsleitung
33: Federelement
34: Einspritzventilglied
35: Stirnseite
36: Ringspalt
37: Nadelspitze
38: Druckschulter
39: Einspritzöffnung
40: Drosselstelle erster Teilkolben 13
41: Überströmleitung
42: Zulauf Arbeitsraum
43: Rückschlagventil Zuleitung 9

Claims

Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (7) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Hochdruckspeicherraum (2), einem Druckübersetzer (5) und einem Zumessventil (6), wobei der Druckübersetzer (5) einen Arbeitsraum (10) und einen Steuerraum (11) umfasst, die voneinander durch einen axial bewegbaren Kolben (12; 13, 14) getrennt sind und eine Druckänderung im Steuerraum (11) des Druckübersetzers (5) eine Druckänderung in einem Kompressionsraum (15) des Druckübersetzers (5) bewirkt, wobei der Kompressionsraum (15) mit einem einem Einspritzventilglied (34) zugeordneten hydraulischen Raum (31) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass an dem den Kompressionsraum (15) des Druckübersetzers (5) beaufschlagenden Kolben (12; 13, 14) Steuerabschnitte (19, 21) ausgebildet sind, über welche der hydraulische Raum (31) des Einspritzventilgliedes (34) drukkentlastbar ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Raum (31) kurzzeitig druckentlastbar ist
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerabschnitte (19, 21) am Umfang eines Teilkolbens (13, 14) der Kolbeneinheit (12) in Hubrichtung der Kolbeneinheit (12) hintereinanderliegend ausgebildet sind.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des den Kompressionsraum (15) beaufschlagenden Teilkolbens (14) der Kolbeneinheit (12) mindestens zwei Steuerabschnitte (19, 21) ausgebildet sind.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bohrung, in welche die Kolbeneinheit (12) läuft, eine mit dem Steuerraum (11) des Druckübersetzers (5) in Verbindung stehende Überströmleitung (41) mündet.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung, in welche die Kolbeneinheit (12) läuft, über eine Verbindungsleitung (32) mit dem hydraulischen Raum (31) in Verbindung steht.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsstelle (24) der Überströmleitung (41) und die Abzweigstelle (25) der Verbindungsleitung (32) im Kompresssionsraum (15) einander gegenüberliegen.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerabschnitte (19, 21) in axiale Richtung des zweiten Teilkolbens (14) gesehen, durch einen Bund voneinander getrennt sind.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kompressionsraum (15) nächstliegende der Steuerabschnitte (19, 21) als Ringnut ausgebildet ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Steuerraum (11) des Druckübersetzers (5) nächstliegende der Steuerabschnitte (19, 21) als Ringraum ausgebildet ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Längen (19.1, 21.1) der Steuerabschnitte (19, 21) in Hubrichtung der Kolbeneinheit (12; 13, 14) gesehen, gleich sind.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Längen (19.1; 21.1) der Steuerabschnitte (19, 21) in Hubrichtung der Kolbeneinheit (12; 13, 14) gesehen, unterschiedlich sind.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleitung (32) zwischen dem Kompressionsraum (15) und dem hydraulischen Raum (31) eine eine Drosselstelle (30) umfassende Leitung parallel geschaltet ist.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (11) zur Niederdruckseite (8) über eine Steuerleitung (26) druckentlastbar ist, in welcher ein 2/2-Wege-Ventil als Zumessventil (6) aufgenommen ist.
Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (9, 42, 29, 27) zum Arbeitsraum (10), dem Kompressionsraum (15) und dem Düsenraum (28) ein Rückschlagventil (43) aufgenommen ist, welches bei Aktivierung des Druckübersetzers (5) den Hochdruckabschnitt (15, 29, 27, 28) vom Hochdruckspeicherraum (2) trennt.
Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbeneinheit (12; 13, 14) des Druckübersetzers (5) einen ersten Teilkolben (13) umfasst, welcher eine den Arbeitsraum (10) mit dem Steuerraum (11) des Druckübersetzers verbindende Drosselstelle (40) umfasst und die Steuerabschnitte (19, 21) an einem zweiten Teilkolben (14) der Kolbeneinheit (12) ausgebildet sind, dessen Stirnseite (23) den Kompressionsraum (15) des Druckübersetzers (5) beaufschlagt.